作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁

[電位計(jì)]，通常被稱為“電位器”，是電氣工程領(lǐng)域的基本元件。這些多功能器件在控制和測(cè)量電信號(hào)方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，在電路和與之互動(dòng)的物理世界之間提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)接口。從音響系統(tǒng)到機(jī)器人，電位計(jì)在眾多的應(yīng)用中都能找到它們的用處，使之成為這些領(lǐng)域中不可或缺的一環(huán)。

本文將從其基本原理、結(jié)構(gòu)和內(nèi)部工作方式著手，對(duì)電位計(jì)進(jìn)行詳細(xì)探討。隨后將討論現(xiàn)有的各種電位計(jì)類型、電位計(jì)、變阻器和編碼器之間的差異，以及關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素和規(guī)格。

電位計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

電位計(jì)作為電阻型元件，會(huì)有一個(gè)機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以手動(dòng)改變其電阻。與保持恒定阻值的定值電阻器相比，電位計(jì)充當(dāng)是可變電阻角色。

這些器件作為分壓器使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電路中電壓輸出調(diào)節(jié)和電動(dòng)勢(shì)精確測(cè)量雙重目的，因此被稱為電位計(jì)。通過沿著電阻元件調(diào)整滑片的位置，電位計(jì)可產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)可變的電壓輸出信號(hào)。值得注意的是，電位計(jì)是無源元件，這意味著它們不需要電源或額外的電路來操作。

圖 1：旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的典型內(nèi)部工作方式。（圖片來源：[CUI Devices]）

一個(gè)物體的電阻取決于各種因素，其中一個(gè)關(guān)鍵因素是其長(zhǎng)度。當(dāng)所有其他參數(shù)保持不變時(shí)，一個(gè)物體的電阻與其長(zhǎng)度成正比。這表示，如果一個(gè)物體測(cè)量長(zhǎng)度為 20 厘米，其電阻將為由相同材料和相同橫截面積制成的長(zhǎng)度為 40 厘米的物體的一半。電位計(jì)正是利用這一原理來實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)的。

電位計(jì)的可調(diào)輸出是通過改變滑動(dòng)觸點(diǎn)沿均勻電阻元件的線性或旋轉(zhuǎn)位置來實(shí)現(xiàn)的，因此也改變了電流流經(jīng)的路徑。輸入電壓施加在電阻元件的整個(gè)長(zhǎng)度上，而輸出電壓則取決于固定電阻元件和滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)觸點(diǎn)之間的電壓降。可移動(dòng)觸點(diǎn)沿電阻元件的位置決定了輸入電壓施加到電路的程度。

值得注意的是，功率超過一瓦時(shí)，通常不采用電位計(jì)來直接控制。這種限制是由于器件本身需要耗散輸入的功率，功率過大會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過多的熱量。相反，電位計(jì)被用來調(diào)整其他組件所利用的模擬信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。舉例子來說，基本型調(diào)光器會(huì)利用電位計(jì)來控制 TRIAC（交流三極管），后都則可直接對(duì)燈光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電位計(jì)類型

電位計(jì)有兩種主要形式：模擬式和數(shù)字式。本文主要重點(diǎn)是依靠機(jī)械元件來操縱和控制輸出的模擬電位計(jì)。模擬電位計(jì)進(jìn)一步分為線性式和旋轉(zhuǎn)式。

旋轉(zhuǎn)電位計(jì)利用旋轉(zhuǎn)的旋鈕和軸來實(shí)現(xiàn)角度移動(dòng)，而這些旋鈕和軸會(huì)連接到一個(gè)滑片元件。這個(gè)滑片元件沿著電阻元件滑動(dòng)，從而改變電阻并隨之調(diào)整輸出。因此通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可以相應(yīng)地改變電阻和輸出。此外，還有一些無軸電位計(jì)，其中使用外部工具（如螺絲刀）移動(dòng)滑片，消除了對(duì)物理軸的需求。這些通常被稱為微調(diào)電位計(jì)或微調(diào)器。

另一方面，線性電位計(jì)采用線性或直線運(yùn)動(dòng)，通過滑動(dòng)機(jī)構(gòu)與電阻元件建立接觸。這種線性運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)電阻的變化以及隨后對(duì)輸出的調(diào)整。

圖 2：比較線性和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)。（圖片來源：CUI Devices）

與模擬電位計(jì)相比，數(shù)字或電子電位計(jì)依靠數(shù)字信號(hào)來控制輸出，消除了對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的需求。

電位計(jì)與變阻器和編碼器之比較

從本質(zhì)上講，電位計(jì)和變阻器的主要區(qū)別在于其預(yù)期應(yīng)用和終端配置。電位計(jì)是一種三端器件，主要用于電壓控制，而變阻器是一種兩端器件，用于電流控制。當(dāng)然，值得注意的是，電位計(jì)可以通過留下一個(gè)端子不連接而作為變阻器使用。

相比之下，變阻器是專門設(shè)計(jì)來調(diào)節(jié)電路中的電流流動(dòng)的。它們通常有兩個(gè)端子，其特點(diǎn)是高瓦特和繞線結(jié)構(gòu)。變阻器通常用于大電流應(yīng)用，以控制流向燈具和電機(jī)等設(shè)備的電流。它們包含了重型導(dǎo)線線圈，通過調(diào)整滑動(dòng)元件沿電阻元件的位置來實(shí)現(xiàn)電阻的增量變化。與電位計(jì)不同，變阻器是根據(jù)其功率處理能力而不是其電阻值來標(biāo)示的。

圖 3：電位計(jì)和變阻器電路圖。（圖片來源：CUI Devices）

接下來，我們來看看旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計(jì)。這兩種器件可能都感應(yīng)到軸的旋轉(zhuǎn)，但它們的工作原理不同，擁有不同的復(fù)雜程度，并需要不同的設(shè)置。下面將深入探討這兩種器件之間的差異：

1. 工作原理：
   • 電位計(jì)：電位計(jì)主要是模擬器件，盡管也有數(shù)字變體。它們依靠軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的電阻變化來指示位置或調(diào)整電壓水平。
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器：[旋轉(zhuǎn)編碼器]是使用二進(jìn)制邏輯對(duì)軸的角度位置或運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編碼并以數(shù)字信號(hào)形式傳輸出去的數(shù)字裝置。它們通常采用[電容、光學(xué)或磁感應(yīng)技術(shù)]。
2. 設(shè)置的復(fù)雜性：
   • 電位計(jì)：電位計(jì)的設(shè)置和連接過程通常更簡(jiǎn)單。它們可以很容易地集成到電路中，而不需要復(fù)雜的信號(hào)調(diào)節(jié)。
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器作為數(shù)字器件，需要額外的電路，如信號(hào)調(diào)節(jié)、解碼和接口元件，以處理和解釋數(shù)字輸出信號(hào)。
3. 輸入范圍和分辨率：
   • 電位計(jì)：電位計(jì)由于其模擬性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)輸出的無級(jí)調(diào)整。它們提供了一個(gè)平滑、連續(xù)的數(shù)值范圍，可實(shí)現(xiàn)精確控制。它們還可以以非線性方式調(diào)節(jié)電壓，實(shí)現(xiàn)定制響應(yīng)曲線。
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)，提供分辨率出色的反饋。它們以數(shù)字格式提供精確的位置或運(yùn)動(dòng)信息，允許進(jìn)行高分辨率的控制和反饋。它們?cè)谛枰_的電機(jī)控制或位置精度的應(yīng)用中特別有優(yōu)勢(shì)。
4. 應(yīng)用方面的考慮：
   • 電位計(jì)：電位計(jì)通常用于需要模擬控制的應(yīng)用，如音頻系統(tǒng)的音量調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)過程中的微調(diào)。
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器在工業(yè)、自動(dòng)化和機(jī)器人應(yīng)用中很受歡迎，在這些應(yīng)用中，精確的數(shù)字反饋、高分辨率和準(zhǔn)確的位置感應(yīng)是至關(guān)重要的。它們?cè)陔姍C(jī)控制系統(tǒng)和需要精確角度測(cè)量的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

電位計(jì)錐度

電位計(jì)錐度指的是當(dāng)器件的電樞旋轉(zhuǎn)或滑片沿電阻元件滑動(dòng)時(shí)，電阻如何變化。電位計(jì)錐度有兩種主要類型：線性和對(duì)數(shù)（也稱為音頻錐度）。

在采用線性錐度的電位計(jì)中，電樞位置與電阻之間的關(guān)系是線性的。這表示，當(dāng)電樞或滑塊處于中間位置時(shí)，可變電阻是電位計(jì)滿刻度電阻的一半。線性錐度電位計(jì)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)提供均勻的電阻變化。

對(duì)數(shù)錐度電位計(jì)提供了一種非線性響應(yīng)，模仿人耳對(duì)聲音的對(duì)數(shù)敏感性。這種錐度通常用于音頻器件，如音量控制器，以實(shí)現(xiàn)更平衡的音量調(diào)節(jié)感覺。在對(duì)數(shù)錐度的情況下，旋轉(zhuǎn)初期的小變化會(huì)導(dǎo)致音量的較大變化，而旋轉(zhuǎn)后期的大變化會(huì)產(chǎn)生較小的音量調(diào)整。此外，還有反對(duì)數(shù)電位計(jì)，主要用于以逆時(shí)針方式運(yùn)作的音頻控制。

其他關(guān)鍵規(guī)格

以下是選擇電位計(jì)時(shí)需要考慮的一些其他關(guān)鍵參數(shù)：

• 電阻：代表電阻元件從一個(gè)端子到另一個(gè)端子在整個(gè)長(zhǎng)度上的電阻。例如，如果一個(gè)電位計(jì)的額定值為 2 kΩ（千歐），這表示其整個(gè)導(dǎo)軌電阻相當(dāng)于一個(gè)阻值為 2 kΩ 的定值電阻器。
• 額定功率：最大額定功率表示電位計(jì)能夠處理的最大功率，以防止過熱或故障。
• 分辨率：指的是電位計(jì)在電阻增量變化方面的精度。它通常以總電阻的百分比來表示，并代表電阻元件上的滑片每增加一個(gè)移動(dòng)量所能檢測(cè)到的最小的電阻變化。
• 滑動(dòng)噪聲：電位計(jì)內(nèi)部接觸部件運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電子噪聲。這種噪聲會(huì)干擾所需信號(hào)的準(zhǔn)確性，或引入不需要的偽影。
• 溫度系數(shù)：表示電位計(jì)的電阻可能隨著工作溫度的變化而變化。具有較低溫度系數(shù)的電位計(jì)在較寬的溫度范圍內(nèi)提供更穩(wěn)定的電阻值，確保了在不同的熱條件下性能一致。
• 機(jī)械壽命：電位計(jì)的預(yù)期壽命，即在保持其性能規(guī)格情況下可承受的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)。

結(jié)語

電位計(jì)具有一系列優(yōu)勢(shì)，包括設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、電阻范圍大、操作簡(jiǎn)便和技術(shù)成熟。它們作為可靠的器件，在電子和電氣系統(tǒng)中對(duì)線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行電壓控制、測(cè)量和精確感應(yīng)。當(dāng)然，考慮其局限性也很重要，如要考慮其有限帶寬、電流處理能力、機(jī)械磨損和潛在的電噪聲。

盡管如此，因其出色可靠性和能夠滿足不同要求的能力，使它們得以廣泛使用。CUI Devices 提供全系列[旋轉(zhuǎn)電位計(jì)]和[微調(diào)電位計(jì)]選擇，可滿足不同項(xiàng)目的特定要求。